許多光子量子信息處理系統(tǒng)的規(guī)模受到整個集成光子電路中量子光通量的限制。光源亮度和波導(dǎo)損耗是片上光子通量受限的根本因素。盡管在超低損耗芯片級光子電路和高亮度單光子源方面分別取得了實質(zhì)性進展，但這些技術(shù)的集成仍然難以實現(xiàn)。

近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員展示了量子發(fā)射器單光子源與晶圓級超低損耗氮化硅光子電路的集成，并證明了將量子發(fā)射器單光子源集成到光子集成電路上，波導(dǎo)損耗約為?1dB/m。研究人員還觀察到了強驅(qū)動機制下的共振熒光，顯示出對量子發(fā)射器進行相干控制的前景。這些結(jié)果表明向大規(guī)模芯片集成光子量子信息系統(tǒng)邁進了一步，在這種系統(tǒng)中，生成的單光子的存儲、時分解復(fù)用或緩沖是至關(guān)重要的。

在這項工作中，超低損耗波導(dǎo)（ULLW）由高縱橫比的Si?N?組成，厚度為40nm，寬度為2μm，埋于1μm SiO?上覆層之下。片上單光子源包括一個直線型GaAs納米波導(dǎo)，其中嵌入了InAs自組裝量子點（QD），隨后是一個絕熱模式轉(zhuǎn)換器，這種幾何結(jié)構(gòu)已被證明可以將量子點發(fā)射直接有效耦合到空氣包層Si3N4脊形波導(dǎo)中。與絕熱錐形波導(dǎo)相反，引入了為900nm以上的高反射率設(shè)計的一維光子晶體背反射器，?以允許單向發(fā)射到Si?N?波導(dǎo)中。為了使用模式轉(zhuǎn)換器確保GaAs和Si?N?層之間的倏逝耦合，將含有量子點的GaAs器件放置成與Si?N?波導(dǎo)的頂部直接接觸。時域有限差分（FDTD）模擬預(yù)測，制造的幾何結(jié)構(gòu)的最大理論單光子耦合效率ηQD-ULLW?≈?0.31。

單光子源與超低損耗波導(dǎo)的集成

關(guān)于ULLW中相對較低的單光子耦合效率，主要影響因素包括次優(yōu)的納米光子設(shè)計和量子點定位，以及GaAs器件內(nèi)的偶極矩取向。雖然已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來解決后一個問題，但光子設(shè)計具有兩個從基本上導(dǎo)致效率較低的因素。首先，波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)的選擇限制了量子點與波導(dǎo)的耦合。倏逝耦合微腔是實現(xiàn)更高整體耦合效率的另一種可行的窄帶替代方案，也是未來工作的主題?；谇坏姆椒ǖ囊粋€優(yōu)點是，通過耦合到諧振模式實現(xiàn)的高Purcell輻射速率增強可以使量子發(fā)射器的壽命T1更接近輻射極限T2?=?2T1，相干時間T2完全不受納米制造的影響，從而提高了不可分辨性。另一方面，單個量子點在相對較寬的光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出各種激子躍遷，這可用于觸發(fā)單光子發(fā)射之外的其他功能。重要的是，所有提出的提高源效率的方法僅涉及對GaAs器件層的修改，而電路的Si?N?超低損耗部分將不受影響。

通過超低損耗波導(dǎo)測量的單光子發(fā)射

在所設(shè)計的器件和實驗配置中，研究人員觀察到直接收集到ULLW中的共振熒光光譜（沒有偏振濾波或時間門控）。?通過單獨控制入射激光的偏振，使用諧振激光器激發(fā)，測得消光比?>?25。這得益于高縱橫比ULLW提供的高空間模式濾波。研究人員注意到，在金剛石中集成Ge空位量子發(fā)射器的AlN電路中，在沒有偏振濾波的情況下也觀察到了共振熒光，并且僅控制泵浦偏振就足以通過片上超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）觀察到波導(dǎo)耦合共振熒光。

量子點的共振熒光和相干控制

通過納米光子設(shè)計和確定性的量子點定位，提高了量子點-波導(dǎo)耦合效率和單光子不可分辨性，并進一步最小化無源片上組件中的傳播和插入損耗，這將更接近完全芯片集成的系統(tǒng)，實現(xiàn)實用的玻色子（Boson）采樣和具有量子優(yōu)勢的相關(guān)光子量子信息任務(wù)。研究人員演示的超低傳播損耗可能已經(jīng)實現(xiàn)單量子發(fā)射器單光子源的時分解復(fù)用的片上延遲，以產(chǎn)生用于Boson采樣的空間復(fù)用光子。

總之，本項工作的研究結(jié)果表明，在超低損耗≤1dB/m的光子集成電路中，量子發(fā)射器作為單光子源具有很高的應(yīng)用前景，這對于在芯片上創(chuàng)建大規(guī)模的光子量子信息系統(tǒng)至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷